劉洪超李 華

(中交第四航務工程勘察設計院有限公司,廣東 廣州510230)

近年來隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展,環(huán)保施工工藝得到認可和推廣,高強度鋼材的使用使鋼板樁質量更輕,在成功解決鎖扣問題后,鋼板樁沉樁施工便利的優(yōu)勢得以突顯。隨著碼頭泊位的大型化和深水化,板樁碼頭逐步出現(xiàn)了鋼管板樁、遮簾板樁、灌注樁排樁等結構型式,板樁碼頭得到更多應用[1-4]。

廣州港新沙港區(qū)駁船碼頭采用了鋼管板樁結構,并取得良好的效果。在結構設計過程中如何選擇經(jīng)濟合理的水工主體結構方案是項目設計的難點,本文結合受力、施工、造價等因素著重對鋼板樁和鋼管板樁兩種方案進行比較分析,確定合理的設計方案并進行總結,以供類似工程設計參考。

1 工程概況

工程位于廣州港新沙港區(qū)(圖1),距離廣州市區(qū)約40 km,駁船碼頭位于挖入式港池內,碼頭總長度1 000 m,共布置4個3 000噸級和5個2 000噸級集裝箱船泊位,4 個工作船泊位。平面布置如圖2所示。

圖1 工程位置Fig.1 Location of the project

圖2 駁船泊位平面布置Fig.2 The layout of barge berth

2 自然條件

2.1 設計水位和波浪

工程所在地潮汐為不正規(guī)半日潮混合潮,高程系統(tǒng)采用當?shù)乩碚撟畹统蔽弧ＴO計高水位：3.05 m(高潮累積頻率10%的潮位);設計低水位：0.37 m(低潮累積頻率90%的潮位);極端高水位：4.06 m(50年一遇);極端低水位：-0.41 m(50年一遇)。駁船泊位位于挖入式港池內,掩護條件良好,基本不受波浪影響。

2.2 地質條件

根據(jù)中交第四航務工程勘察設計院2017-07編制的《廣州港新沙港區(qū)11號12號通用泊位及駁船泊位工程施工圖階段勘察報告》①中交第四航務工程勘察設計院.廣州港新沙港區(qū)11號12號通用泊位及駁船泊位工程施工圖階段勘察報告,2017.中沿碼頭前沿的勘察鉆孔分析結果可知：由上至下依次為淤泥、淤泥-淤泥質土、淤泥質土-粘土、粉土-粉質粘土、殘積土、全風化泥質粉砂巖、強風化泥質粉砂巖和中風化泥質粉砂巖(圖3)。強風化泥質粉砂巖頂標高變化起伏較大,頂標高約為-12～-22 m。土層物理參數(shù)如表1所示。

圖3 典型地質剖面①(m)Fig.3 Typical geological profiles①(m)

表1 土層物理參數(shù)①Table 1 Physical parameters of soil layers①

3 水工結構設計方案

駁船碼頭工程區(qū)域,風、浪、流均較小,但根據(jù)勘察鉆孔揭示地質條件復雜,巖面高程變化大,強風化巖面頂標高為-12～-22 m,根據(jù)初期篩選后確定了鋼管板樁和鋼板樁設計方案,著重對2個設計方案進行介紹和比選。

3.1 鋼管板樁方案

鋼管板樁前墻由壁厚18 mm 直徑1 200 mm 鋼管樁與壁厚10 mm 的AZ18-10/10熱軋鋼板樁(材質為S430GP)組合形成,碼頭后方設現(xiàn)澆錨碇墻,前墻和錨碇墻通過GB/T 20934-2007 GLG550-OU-80×34200鋼拉桿連接,鋼管板樁頂設胸墻,胸墻內設水電管溝并兼顧門機前軌,胸墻后方設置1條獨立軌道梁,基礎采用直徑600 mm 間距2 520 mm 的B型PHC樁(壁厚130 mm)。鋼管樁主要起到支撐門機前軌和抗水平土壓力的作用并形成直立岸壁,根據(jù)受力需進入強風化泥質粉砂巖或中風化泥質粉砂巖;鋼管樁間采用鋼板樁連接形成整體,鋼板樁需穿透軟弱土層進入相對密實的粘土層或砂層,主要起到擋土作用。鋼管板樁方案典型斷面如圖4所示。

圖4 鋼管板樁方案典型斷面Fig.4 Typical section of the steel tubular piled scheme

3.2 鋼管樁方案

鋼板樁前墻采用壁厚17.0 mm 的AZ52-700熱軋鋼板樁(材質S430GP),胸墻后方設置2條獨立軌道梁,基礎采用直徑600 mm 間距2 520 mm 的B型PHC樁(壁厚130 mm)。其余結構與鋼管板樁方案相同。鋼管板樁和鋼板樁方案前墻結構見圖5。

圖5 前墻結構Fig.5 The front wall structures in the steel tubular piled and the steel sheet piled schemes

4 受力分析

目前板樁碼頭計算理論以彈性線性法、豎向彈性地基梁法為主。在內力分析時,多采用有限元計算方法進行二維或三維模擬分析,有限分析方法主要分為模擬土體、考慮土體結構相互作用和人工施加土壓力對結構進行靜力分析兩種。模擬土體的有限元分析主要采用PLAXIS3D,PLAXIS2D 和ABAQUS等軟件[5-8],人工施加土壓力、對主體結構進行靜力分析的有限元分析主要采用ANSYS,ROBOT,WALLAP 和SAP2000等軟件[5-8]。

4.1 內力計算

本文采用“彈性線法”計算前墻踢腳穩(wěn)定性、采用SAP2000進行內力分析,并將主體結構簡化為二維模型來解決。鋼板樁結構受力結構為鋼板樁,鋼管板樁結構主要受力結構為鋼管樁,鋼管樁整體剛度、截面抵抗矩等遠大于鋼板樁,鋼管板樁方案前墻受力時考慮組合結構共同受力。

前墻、錨碇墻與土體之間模擬簡化為彈簧,前墻、錨碇墻、拉桿簡化為桿件結構,前墻、錨碇墻受到土體、均載等作用作為主動土壓力施加在結構上,計算模型圖6所示,內力計算結果如表2和圖7所示。

圖6 計算模型Fig.6 Computation model

表2 主要計算結果Table 2 Main calculation results

圖7 鋼管板樁和鋼板樁前墻彎矩(k N·m)Fig.7 The front wall bending moments of the steel tubular sheet pile and the steel sheet pile(k N·m)

4.2 主要結論

分析上述計算結果可知：

1)抗彎和抗變形能力方面：鋼管板樁結構的樁身彎矩和樁頂位移均小于鋼板樁結構。鋼管板樁主要受力結構為鋼管樁,其間連接用鋼板樁主要作用為擋土,鋼板樁結構為薄壁結構,鋼管板樁結構截面抵抗距強于鋼板樁結構,剛度更大,因此鋼管板樁結構較鋼板樁結構,整體性更好、抗彎、抗變形能力更強。

2)樁身應力和對軟弱土層的適應性方面：鋼管樁結構樁身應力小于鋼板樁結構樁身,本項目鋼板樁方案中選取的鋼板樁型號為AZ52-700N 型,為抗彎能力較強的AZ型鋼板樁,本區(qū)域地質條件復雜,存在表層淤泥、淤泥質土更厚的鉆孔,在局部會區(qū)域出現(xiàn)鋼板樁應力超標問題,為解決鋼板樁應力超標問題,需加大地基處理深度,在軟弱土層較厚的區(qū)域鋼管板樁結構較鋼板樁結構有更強的適應性。

3)拉桿拉力及錨碇墻穩(wěn)定性方面：由于鋼管樁具有更強的抗變形能力,鋼管結構產(chǎn)生的拉桿拉力小于鋼板樁結構的拉桿拉力,這使得鋼管樁結構的錨碇結構較鋼板樁結構具有更好的穩(wěn)定性,這種現(xiàn)象隨著軟弱土層的增加更加明顯。

5 施工、造價分析

5.1 施工分析

駁船泊位工程區(qū)域巖面高程變化大,強風化巖面頂標高為-12～-22 m,著重結合地質條件對施工方面進行比較分析：

1)入巖可行性：由于巖面起伏較大,鋼板樁在部分區(qū)域需進入強風化泥質粉砂巖,在施工過程中存在較大的難度,且易出現(xiàn)樁底卷邊、樁身偏位問題。鋼管樁通過重錘輕打可有效打入巖層,易保證施工質量,鋼管樁結構對復雜地質,尤其巖面起伏較大的結構適應性更強。

2)豎向承載力：鋼板樁樁底面積較小,豎向承載力較低,不能兼作軌道梁基礎,需單獨設置軌道梁基礎。鋼管樁可作為軌道梁基礎,減少1條軌道梁樁基,可節(jié)省施工工期。

5.2 造價分析

鋼板樁方案與鋼管板樁方案主要區(qū)別在于前墻結構和前軌道梁基礎,造價分析主要對比工程量差異部分,以一個完整的鋼板樁、鋼管樁組合長度2.52 m 范圍內的工程量進行對比分析(表3)。

表3 造價對比分析Table 3 Comparison and analysis of the cost

由表3可知,由于鋼板樁每噸單價較鋼管樁每噸單價高,且鋼板樁方案增加了一排PHC 樁,鋼管板樁結構方案每延米造價與鋼板樁結構方案稍有節(jié)省,節(jié)省約247元/m。

6 結 語

通過分析廣州港新沙港區(qū)板樁碼頭工程可知,鋼管板樁在抗彎、抗變形、對復雜地基(軟弱土層較厚、巖層標高較高的地基)的適應性、兼顧豎向樁基基礎方面更具有優(yōu)勢。在復雜地質條件下,相比鋼板樁結構,鋼管板樁結構在造價方面并無劣勢,在減少一排獨立樁基的情況下也會節(jié)省工期也有一定的節(jié)省。隨著碼頭泊位的大型化和深水化,鋼管板樁結構更具有優(yōu)勢,在類似工程設計中可優(yōu)先采用鋼管板樁結構。